Armas nucleares de fisión intensificada (boosting)

Las armas nucleares de fisión intensificada consisten en un arma de fisión común en cuyo núcleo se ha colocado una pequeña cápsula con una mezcla de estos dos isótopos. Al iniciarse la reacción de fisión, se inicia también la fusión del deuterio y el tritio que generan una enorme cantidad de neutrones altamente energéticos (7 veces más que la media de los generados en la fisión) y que contribuyen a dividir los núcleos del material fisible junto a los neutrones generados en la reacción en cadena de fisión. Además, su alta energía hace que se genere un mayor número de neutrones en cada división nuclear. En el caso del Pu-239 la media está en 2,9 generados en cada fisión, mientras que si ese mismo núcleo de Pu-239 es golpeado por uno de estos neutrones producidos por la fusión, se producen de media 4,6

El dispositivo detonado en Item siendo izado a una torre de 70 metros

En resumen, en éste tipo de armas nucleares, en el momento de la explosión, el número de neutrones es mucho mayor y por tanto se fisiona más material en el mismo espacio de tiempo aumentando así el rendimiento. De hecho, se puede hasta doblar la potencia llegándose a rendimientos de hasta el 40%. Como muestra, señalar la primera detonación en la que se experimentó con esta técnica. Se detonó el 25 de mayo de 1951 y se trataba de Item, dentro de la operación Greenhouse. Item era una bomba de fisión convencional con una potencia estimada de unos 20-22 Kt. En el interior del núcleo se introdujo una cápsula que contenía en torno a 2-3 gramos de deuterio y tritio en estado líquido (criogénicos). La detonación liberó una potencia total de 45,5 Kt.

Hay que señalar que en las armas de fisión intensificada, el aporte principal de potencia viene dado por el incremento de neutrones en el momento de la explosión, mientras que la energía total liberada por la fusión representa solo el 1-2 % de la potencia total de la bomba.

Otra virtud del uso de la fisión intensificada es la disminución del riesgo de predetonación. Esta podía producirse al bombardear el plutonio con radiaciones externas, como podrían ser las que inundarían el territorio en el que hubiese explosiones nucleares.

Por otro lado, tampoco debemos dejar de lado las armas basadas en el ensamblaje de cañón, que si bien son poco eficaces, si son necesarias para algunos cometidos concretos (Proyectiles de artillería por ejemplo). Todo lo dicho anteriormente es aplicable a este tipo de ensamblaje, con la diferencia de que en este caso, la compresión de la mezcla de isótopos encargados de la fusión viene dada por el impacto directo sobre una cápsula que contenga a éstos del proyectil de material fisible. Hay que señalar que estas bombas se caracterizan por su bajo rendimiento ya que no se llega a comprimir el material fisible. Es por esto que el efecto de estos neutrones extra dispara la potencia llegando a multiplicarla por cinco.

Otro aspecto determinante en lo referente al aporte de este método al incremento de la potencia es la densidad a la que se encuentre la mezcla de deuterio y tritio. Un elemento en estado líquido siempre será mucho más denso que en estado gaseoso en condiciones normales, pero en el caso de estos isótopos, éstos necesitan temperaturas por debajo de los 250 grados bajo cero para encontrarse en este estado. En Item se usó así, pero era una prueba y los ingenieros y científicos tenían todas las herramientas y comodidades necesarias para operar con ellos. En una bomba operacional no se puede recurrir a deuterio y tritio líquidos. Esto nos deja como única alternativa el estado gaseoso a alta presión para maximizar la densidad.

No obstante, por un lado, el tritio es muy reactivo y por otro, su vida media es muy corta teniendo en cuenta los estándares de almacenamiento de las armas nucleares. Para solucionar esto, el gas (normalmente se almacenan la mezcla de deuterio y tritio, ambos en estado gaseoso) es almacenado en un contenedor a presión externo al núcleo siendo inyectado en el mismo durante el proceso de armado de la bomba justo antes del lanzamiento. Por otro lado, también se puede recubrir con una delgada capa de cobre la cavidad interna del núcleo para evitar la reacción química entre el material fisible y el tritio. Además, el sistema permite reprocesar fácilmente la reserva de gas para purificarlo (Al desintegrarse, se produce Helio-3), manipulando solo el contenedor externo y no teniendo que manipular el núcleo.

Cabeza nuclear W-31 de implosión intensificada para un cohete Honest John. Es habitual que estas cabezas posean conexiones externas a los depósitos de deuterio-tritio para facilitar su mantenimiento

Todo esto es aplicable al diseño básico de implosión, pero recordemos que es el de núcleo levitado el más extendido gracias a su mayor rendimiento. El colocar una esfera hueca con el gas en su interior en el centro del núcleo va en contra del principio de núcleo levitado reduciendo su rendimiento, por lo que en este caso, y a pesar de ser ese el sitio idóneo para la mezcla de isótopos, la mezcla se introduce en el espacio vacío entre el núcleo y la esfera que lo rodea.

Por todas estas ventajas, a día de hoy prácticamente todas las bombas de fisión usan este sistema, cuyos únicos inconvenientes es el precio del tritio (Que se compensa con el incremento de la potencia) y su corta vida media, que implica que haya de mantenerse fuera de la bomba mientras no exista previsión en su uso.

ARMAS NUCLEARES DE FISION-FUSION

Comprobada la viabilidad de la fusión de isótopos ligeros, se abría una nueva puerta hacia la intensificación de la potencia de estas armas. La fusión no adolecía de la limitación de cantidad de “combustible nuclear” y bastaba incrementar la cantidad de este para incrementar la potencia sin existir ningún límite teórico.

La reacción ya probada fusionaba núcleos de deuterio y tritio. No obstante, esta reacción se aplicaba solamente a la producción de neutrones extra para intensificar la fisión, por lo que la cantidad requerida era pequeña y su coste era asimilable en relación con los resultados que ofrecía, a pesar del extremado precio del tritio. No obstante, para producir armas cuya potencia se basase en la fusión nuclear, la cantidad de combustible nuclear necesario es demasiado grande como para usar tritio. Había que buscar un sustituto. Otras reacciones de fusión posibles son;

6 D => 2 He-4 + 2 p + 2 n + Energía

Li-6 + D => 2 He-4 + Energía

Donde

D = Deuterio
p = Protón
n = Neutrón
Li-6 = Litio-6
He-4 = Helio-4

Estas reacciones (que no son directas, sino que se dan por la combinación de varias), a pesar de utilizar materiales mucho más baratos (El deuterio cuesta unos 80 Euros por kilogramo y el litio es fácilmente obtenido en minas), producen enormes cantidades de energía, y por otro lado, veremos más adelante (Próximo artículo) que existe la posibilidad de aumentarla notablemente con determinados métodos.

La reacción de núcleos de deuterio fusionándose entre sí es perfectamente válida, pero entraña una gran dificultad. El deuterio es gaseoso a temperatura ambiente, y en este estado su densidad es muy pequeña, por lo que la bomba tendría que ser una especie de globo enorme para contener la cantidad necesaria. Eso se puede suplir usándolo en estado líquido, pero esto supone el operar a temperaturas criogénicas, haciendo poco viable su uso desde el punto de vista militar. Otra forma más práctica de remediar el problema es combinándolo con otro elemento químico para que forme un sólido a temperatura ambiente. Un elemento que se prestaba a ello era el litio formando deuteruro de litio. Con esto se logra una densidad máxima del deuterio, y además el litio también participará en la reacción. Estando en reposo, los átomos de ambos isótopos se encuentran unidos por sus electrones formando las moléculas de deuterio de litio, pero cuando la temperatura y la presión alcanzan los niveles necesarios, esa disposición desaparece quedando los núcleos libres para colisionar y fusionarse.

Llegados a este punto, cabe resaltar que el deuteruro de litio también es útil para sustituir al deuterio en las bombas de fisión intensificada.